Syntéza frekvenční modulace - Frequency modulation synthesis - Wikipedia
![]() |
|
|
Syntéza frekvenční modulace (nebo FM syntéza) je forma zvuková syntéza přičemž frekvence a křivka je změněno o modulovat jeho frekvenci s modulátorem. Frekvence oscilátoru se mění "v souladu s amplituda modulačního signálu ". [1]
FM syntéza může vytvářet harmonické i neharmonický zvuky. Pro syntézu harmonických zvuků musí mít modulační signál a harmonický vztah k původnímu nosnému signálu. Jak množství frekvenční modulace roste, zvuk roste postupně komplexně. Díky použití modulátorů s frekvencemi, které jsou necelými násobky nosného signálu (tj. Neharmonické), neharmonický Lze vytvořit zvonová a perkusní spektra.
FM syntéza pomocí analogu oscilátory může mít za následek nestabilitu výšky tónu. Syntézu FM však lze implementovat také digitálně, což je stabilnější a stalo se běžnou praxí. Digitální FM syntéza (implementována jako fázová modulace ) byl základem několika hudebních nástrojů začínajících již v roce 1974. Yamaha vyrobila první prototyp digitální syntezátor v roce 1974, na základě FM syntézy,[2] před komerčním uvedením modelu Yamaha GS-1 v roce 1980.[3] The Synclavier I, vyrobeno New England Digital Corporation začátek roku 1978, zahrnoval digitální FM syntezátor, využívající algoritmus FM syntézy licencovaný od Yamahy.[4] Yamaha je průkopnická DX7 Syntezátor, vydaný v roce 1983, dostal FM do popředí syntézy v polovině 80. let.
FM syntéza se také stala obvyklým prostředím pro hry a software až do poloviny devadesátých let. Prostřednictvím zvukových karet, jako je AdLib a Sound Blaster, Počítače IBM popularizoval Yamaha čipy jako OPL2 a OPL3. OPNB byl použit jako hlavní základní deska zvukového generátoru v SNK Neo Geo ovládané arkády (MVS) a domácí konzole (AES). Pozdější varianta používaná pro Systém Taito Z.. Související OPN2 byl použit v Fujitsu FM Towns Marty a Sega Genesis jako jeden ze svých čipů zvukového generátoru. Podobně Sharp X68000 a MSX (Počítačová jednotka Yamaha ) také používají zvukový čip založený na FM, OPM.
Dějiny
1960-1980
V polovině 20. století frekvenční modulace (FM), prostředek k přenášení zvuku, byl chápán po celá desetiletí a byl zvyklý vysílat rádiové přenosy.[5] FM syntéza byla vyvinuta v šedesátých letech v Stanfordská Univerzita V Kalifornii John Chowning, který se pokoušel vytvářet zvuky odlišné od analogová syntéza. Jeho algoritmus byl licencován japonské společnosti Yamaha v roce 1973.[2] Implementace komercializována společností Yamaha (americký patent 4018121 duben 1977[6] nebo US patent 4 018 121[7]) je ve skutečnosti založen na fázová modulace, ale výsledky jsou nakonec matematicky ekvivalentní, protože oba jsou v zásadě zvláštním případem kvadraturní amplitudová modulace.[8]

Inženýři společnosti Yamaha začali přizpůsobovat Chowningův algoritmus pro použití v komerčním digitálním syntetizátoru a přidali vylepšení, jako je metoda „klíčového škálování“, aby se zabránilo zavedení zkreslení, ke kterému běžně dochází v analogových systémech během frekvenční modulace, ačkoli to trvalo několik let, než Yamaha vydala své FM digitální syntezátory.[9] V sedmdesátých letech byla společnosti Yamaha udělena řada patentů pod dřívějším názvem společnosti „Nippon Gakki Seizo Kabushiki Kaisha“, což vyvíjí dílo Chowning.[7] Yamaha postavila první prototyp FM digitální syntezátor v roce 1974.[2] Yamaha nakonec komercializovala technologii FM syntézy s Yamaha GS-1, prvním digitálním syntetizátorem FM, vydaným v roce 1980.[3]
FM syntéza byla základem některých raných generací digitální syntezátory, zejména ty od Yamahy, stejně jako New England Digital Corporation na základě licence od Yamahy.[4] Yamaha DX7 syntezátor, který vyšel v roce 1983, byl všudypřítomný během 80. let. Několik dalších modelů společnosti Yamaha poskytlo během tohoto desetiletí variace a vývoj syntézy FM.[10]
Yamaha patentovala svou hardwarovou implementaci FM v 70. letech,[7] což jí umožnilo téměř monopolizovat trh s technologií FM až do poloviny 90. let. Casio vyvinuli související formu syntézy zvanou syntéza fázového zkreslení, použitý v jeho Řada syntetizátorů CZ. Měl podobnou (ale mírně odlišně odvozenou) kvalitu zvuku jako řada DX. Don Buchla implementoval FM na své nástroje v polovině 60. let, ještě před patentem Yamahy. Jeho 158, 258 a 259 duálních oscilátorových modulů mělo specifický vstup FM řídicího napětí,[11] a model 208 (Music Easel) měl modulační oscilátor pevně zapojený, aby umožňoval FM i AM primárního oscilátoru.[12] Tyto rané aplikace používaly analogové oscilátory a tuto schopnost sledovaly také další modulární syntezátory a přenosné syntezátory Minimoog a ARP Odyssey.
90. léta - současnost
S vypršením patentu FM Stanford University v roce 1995 může být digitální syntéza FM nyní volně implementována jinými výrobci. Patent FM syntézy přinesl Stanfordu 20 milionů dolarů před jeho vypršením, což z něj v roce 1994 učinilo „druhou nejlukrativnější licenční smlouvu v historii Stanfordu“.[13] FM se dnes většinou nachází v softwarových syntezátorech, jako je FM8 od Nativní nástroje nebo Sytrus podle Image-Line, ale také byl začleněn do repertoáru syntézy některých moderních digitálních syntetizátorů, obvykle koexistujících jako alternativa vedle jiných metod syntézy, jako je subtraktivní, syntéza založená na vzorcích, aditivní syntéza a další techniky. Stupeň složitosti FM v těchto hardwarových syntezátorech se může lišit od jednoduchého FM pro 2 operátory až po vysoce flexibilní motory se 6 operátory Korg Kronos a Alesis Fusion, k vytvoření FM v rozsáhlých modulárních motorech, jako jsou ty v nejnovějších syntetizátorech od Kurzweil Music Systems.[Citace je zapotřebí ]
Nové hardwarové syntezátory specificky prodávané pro jejich schopnosti FM zmizely z trhu po vydání Yamaha SY99 a FS1R, a dokonce i ti, kteří prodávali své vysoce výkonné schopnosti FM jako protějšky syntéza založená na vzorcích a syntéza formantů resp. Dobře vyvinuté možnosti syntézy FM jsou však funkcí Nord Lead syntezátory vyrobené společností Clavia, Alesis Fusion rozsah, Korg Oasys a Kronos a Modor NF-1. Různé další syntetizátory nabízejí omezené schopnosti FM k doplnění svých hlavních motorů.[Citace je zapotřebí ]
V roce 2016 Korg vydal Korg Volca FM, a, 3hlasý, 6 operátorů FM iteraci Korg Volca řada kompaktních a cenově dostupných desktopových modulů,[14] a Yamaha vydala Montáž, který kombinuje 128-hlasový motor založený na vzorcích s 128-hlasovým motorem FM. Tato iterace FM se nazývá FM-X a obsahuje 8 operátorů; každý operátor má na výběr z několika základních tvarů vln, ale každý tvar vlny má několik parametrů pro úpravu svého spektra.[15] Po montáži Yamaha následovala cenově dostupnější Yamaha MODX v roce 2018 kromě 64hlasé 8-operátorské architektury FM-X kromě 128hlasého enginu založeného na vzorcích.[16] Elektron v roce 2018 zahájil Digitone, 8hlasý, 4 operátorový FM synth s renomovaným sekvenčním enginem společnosti Elektron.[17]
Syntéza FM-X byla zavedena s Yamaha Montage syntezátory v roce 2016. FM-X používá 8 operátorů. Každý operátor FM-X má na výběr sadu vícespektrálních vlnových forem, což znamená, že každý operátor FM-X může být ekvivalentem zásobníku 3 nebo 4 operátorů DX7 FM. Seznam volitelných vlnových forem zahrnuje sinusové vlny, vlnové formy All1 a All2, vlnové formy Odd1 a Odd2 a vlnové formy Res1 a Res2. Výběr sinusových vln funguje stejně jako vlnové formy DX7. Vlnové formy All1 a All2 jsou vlnové formy pilovitého zubu. Vlnové formy Odd1 a Odd2 jsou pulzní nebo čtvercové vlny. Tyto dva typy vlnových forem lze použít k modelování základních harmonických špiček ve spodní části harmonického spektra většiny nástrojů. Vlnové formy Res1 a Res2 přesouvají spektrální vrchol na konkrétní harmonickou a lze ji použít k modelování trojúhelníkových nebo zaoblených skupin harmonických dále ve spektru nástroje. Kombinací vlnového tvaru All1 nebo Odd1 s více vlnovými formami Res1 (nebo Res2) (a úpravou jejich amplitud) lze modelovat harmonické spektrum nástroje nebo zvuku.[18][Citace je zapotřebí ]
Kombinace sad 8 operátorů FM s multispektrálními vlnovými formami začala v roce 1999 Yamaha ve FS1R. FS1R měl 16 operátorů, 8 standardních operátorů FM a 8 dalších operátorů, kteří jako zdroj zvuku používali spíše zdroj hluku než oscilátor. Přidáním laditelných zdrojů šumu by FS1R mohl modelovat zvuky produkované lidským hlasem a ve dechovém nástroji, stejně jako vydávat zvuky bicích nástrojů. FS1R také obsahoval další vlnovou formu zvanou Formantní vlnovou formu. Formants lze použít k modelování zvuků rezonujících tělesných nástrojů, jako jsou violoncello, housle, akustická kytara, fagot, anglický roh nebo lidský hlas. Formanty lze dokonce nalézt v harmonickém spektru několika dechových nástrojů.[18]
Spektrální analýza
Spektrum generované FM syntézou s jedním modulátorem je vyjádřeno takto:[19][20]
Pro modulační signál , je nosný signál
Pokud bychom měli ignorovat podmínky konstantní fáze na nosiči a modulátor , konečně bychom dostali následující výraz, jak je vidět na Tření 1973 a Silnice 1996, str.232:
kde jsou úhlové frekvence () nosiče a modulátoru, je index frekvenční modulace, a amplitudy je -th Besselova funkce prvního druhu, resp.[poznámka 1]
Poznámka pod čarou
- ^ výše uvedený výraz je transformován pomocí trigonometrické vzorce pro sčítání
- (Zdroj: Kreh, Martin (2012), „Besselova funkce“ (PDF), Göttingenská letní škola teorie čísel, Göttingen, Německo, 29. července 2012 - 18. srpna 2012, s.5 –6, archivováno od originál (PDF) dne 18. 11. 2017, vyvoláno 2014-08-22CS1 maint: umístění (odkaz))
Viz také
- Aditivní syntéza
- Chiptune
- Digitální syntezátor
- Elektronická hudba
- Zvuková karta
- Zvukový čip
- Hudba z videoher
Citace
- ^ (Dodge & Jerse 1997, str. 115)
- ^ A b C „[Kapitola 2] Generátory tónů FM a úsvit produkce domácí hudby“. 40. výročí Yamaha Synth - historie. Yamaha Corporation. 2014.
- ^ A b Curtis Roads (1996). Výukový program pro počítačovou hudbu. MIT Stiskněte. p. 226. ISBN 0-262-68082-3. Citováno 2011-06-05.
- ^ A b „1978 New England Digital Synclavier“. Směs. Penton Media. 1. září 2006.
- ^ „The History of Roland: Part 2“. Zvuk ve zvuku. Citováno 2020-02-05.
- ^ „Patent USA 4018121 duben 1977“. patft.uspto.gov. Citováno 2017-04-30.
- ^ A b C „Patent US4018121 - Metoda syntézy hudebního zvuku - Patenty Google“. google.com. Citováno 2017-04-30.
- ^ Rob Hordijk. "FM syntéza na Modular". Tipy a triky Nord Modular a Micro Modular V3.03. Clavia DMI AB. Archivovány od originál dne 2007-04-07. Citováno 2013-03-23.
- ^ Holmes, Thom (2008). "Počáteční počítačová hudba". Elektronická a experimentální hudba: technologie, hudba a kultura (3. vyd.). Taylor & Francis. str. 257–8. ISBN 0-415-95781-8. Citováno 2011-06-04.
- ^ Gordon Reid (září 2001). „Zvuky 80. let, část 2: Yamaha DX1 a její nástupci (Retro)“. Zvuk ve zvuku. Archivovány od originál dne 17. září 2011. Citováno 2011-06-29.
- ^ Dr. Hubert Howe (1960). Elektronický hudební systém Buchla: Uživatelská příručka napsaná pro hudební nástroje CBS (návod k obsluze Buchla 100). Oddělení pedagogického výzkumu, CBS Musical Instruments, Columbia Broadcasting System. p.7.
V tomto okamžiku můžeme zvážit různé další úpravy signálu, které bychom mohli chtít provést u řady tónů produkovaných výše uvedeným příkladem. Například, pokud bychom chtěli k tónům přidat frekvenční modulaci, je nutné propojit další zvukový signál do jacku spojeného linkou se středním číselníkem na modelu 158 Dual Sine-Sawtooth Oscillator. ...
- ^ Atten Strange (1974). Programování a metaprogramování v elektroorganismu - operační směrnice pro hudební stojan. Buchla a kolegové.
- ^ Zpravodajská služba Stanford University (6. 7. 1994), Hudební syntéza se blíží kvalitě zvuku skutečných nástrojů
- ^ Stránka produktu Volca FM
- ^ Stránka Vlastnosti produktu Yamaha Montage
- ^ Stránka s vlastnostmi produktu Yamaha MODX
- ^ Stránka produktu Digitone
- ^ A b Zollinger, W. Thor (prosinec 2017). „FM_Synthesis_of_Real_Instruments“ (PDF).
- ^ Tření 1973, s. 1–2
- ^ Doering, Ed. "Matematika frekvenční modulace". Citováno 2013-04-11.
Reference
- Chowning, J. (1973). „Syntéza komplexního zvukového spektra pomocí frekvenční modulace“ (PDF). Journal of the Audio Engineering Society. 21 (7).CS1 maint: ref = harv (odkaz) (k dispozici také v PDF jako digitální verze 13.2.2007[trvalý mrtvý odkaz ])
- Chowning, John; Bristow, David (1986). Teorie a aplikace FM - od hudebníků pro hudebníky. Tokio: Yamaha. ISBN 4-636-17482-8.CS1 maint: ref = harv (odkaz)
- Silnice, Curtis (1996). Výukový program pro počítačovou hudbu. MIT Stiskněte. ISBN 978-0-262-68082-0.CS1 maint: ref = harv (odkaz)
- Dodge, Charles; Jerse, Thomas A. (1997). Počítačová hudba: syntéza, složení a výkon. New York: Schirmer Books. ISBN 0-02-864682-7.CS1 maint: ref = harv (odkaz)
externí odkazy
- Úvod do FM autor: Bill Schottstaedt
- Výukový program pro FM
- Synth Secrets, část 12: Úvod do frekvenční modulace, Gordon Reid
- Synth Secrets, část 13: Více o frekvenční modulaci, Gordon Reid
- Paul Wiffens Synth School: Část 3
- F.M. Syntéza včetně komplexní analýzy operátorů
- Část 1 dvoudílného výukového programu YouTube o syntéze FM s řadou zvukových příkladů